项目二任务二到五

择搅 拌器？ 对于固体悬浮操作，如何考虑选择搅拌 器？ 对于溶解过程，如何考虑选择搅拌器？ 对于结晶过程，如何考虑选择搅拌器？ 对于以传热为主的搅拌操作，如何考虑 选择搅拌器？
(五)搅拌附件
搅拌附件通常指在搅拌 罐内为了改善流动状态而增 设的零件，如挡板、导流筒 等。 1.挡板：目的是为了消除切 线流和“打漩”。一般为2-4 块，且对于低速搅拌高粘度 液体的锚式和框式搅拌器安 装挡板无意义。
规律：两釜串联时，对于一级反应，各釜大小 相同时是最优的。对于反应级数n≠1，n>0，较 小的反应器在前面，而对于n<0应先用较大的反 应器。
CA
time
反应器内，物 料的浓度和温度处 处相等，且等于反 应器流出物料的浓 度和温度。
CA,in
CA, out
0
tresidence time
t
CA CA,O
position
CA, out
t
x
0
一、单个连续操作釜式反应器的计算（1－CSTR）
基础设计式
取整个反应器为衡算对象 0
流入量 = 流出量 + 反应量 + 累积量
3.推进式搅拌器
推进式搅拌器的循环速度高。当转速高时 ，能产生很强的轴向流，上下翻腾效果良好。 剪切作用也大。当需要有更大的流速时，反应 釜内设有导流筒。
推进式搅拌器直径与搅拌釜内径之比为 0.2～0.5，搅拌转速为100～500r/min，适用 于低粘度液体的搅拌。
4.框式和锚式搅拌器 框式搅拌器可视为桨式搅拌器的变形，其 结构比较坚固，搅动物料量大。如果这类搅拌 器底部形状和反应釜下封头形状相似时，通常 称为锚式搅拌器。 框式搅拌器直径较大，一般取反应器内 径的0.9～0.98，1～100r／min。框式搅拌器 的循环速度及剪切作用都较小，主要产生切线 流。当物料粘度高时，可产生一定的径向流和 轴向流。适用于高粘度物料的搅拌和传热。
适用：液相反应和气相反应。由于PFR能承受较高 的压力，用于加压反应尤为合适。
任务5 反应器计算与操作的优化
化学反应过程的优化包括设计计算优化和操作优 化两种类型。 化学反应过程的技术目标有： 反应速率——涉及设备尺寸，亦即设备投资费用。 选择性——涉及生产过程的原料消耗费用。 能量消耗——生产过程操作费用的重要组成部分。 不同类型反应的优化目标： 对简单反应：只需考虑反应速率； 对复杂反应：优先考虑选择性。
(四)搅拌器的选型 主要根据物料性质、搅拌目的及各种搅拌器的 性能特征来进行。 1.按物料粘度选型 对于低粘度液体，应选用小直径、高转速搅 拌器，如推进式、涡轮式； 对于高粘度液体，就选用大直径、低转速搅 拌器，如锚式、框式和桨式。
2.按搅拌目的选型 对低粘度均相液体混合，主要考虑循环 流量。 各种搅拌器的循环流量按从大到小顺序 排列：推进式、涡轮式、桨式。 对于非均相液-液分散过程，首先考虑 剪切作用，同时要求有较大的循环流量。 各种搅拌器的剪切作用按从大到小的顺 序排列：涡轮式、推进式、桨式。
PFR特点
连续定态下，各个截面上的各种参数只是 位置的函数，不随时间而变化； 径向速度均匀，径向也不存在浓度分布；
反应物料具有相同的停留时间。
就反应过程而言，PFR和BR两种反应器具有相同的 效率。因BR是间歇过程，存在非生产时间，其生产能 力低于PFR。 优点：具有容积小、比表面大、返混少、反应参数 连续变化、易于控制的优点， 缺点：对于慢速反应，则有需要管子长，压降大 的不足。
3.列管式 对于大型反应釜，需高速传热时，可在釜内安 装列管式换热器。 4.外部循环式 当反应器的夹套和蛇管传热面积仍不能满足 工艺要求，或无法在反应器内安装蛇管而夹套的传 热面积又不能满足工艺要求时，可以采用外部循环 式。 5.回流冷凝式 反应在沸腾下进行或蒸发量大的场合。
(二)换热介质的选择
优化的核心是化学因素和工程因素的最优结合。
化学因素包括反应类型及动力学特性 工程因素包括 反应器型式：管式、釜式及返混特性 操作方式：间歇、连续、半间歇及加料方
式的分批或分段加料等
操作条件：物料的初始浓度、转化率、反 应浓度或温度分布
一、反应器生产能力的比较——简单反应
简单反应的优化目标只需考虑反应速率。
5.螺带式搅拌器和螺杆式搅拌器 螺带式搅拌器，常用扁钢按螺旋形绕成，直 径较大，常做成几条紧贴釜内壁，与釜壁的间隙 很小，所以搅拌时能不断地将粘于釜壁的沉积物 刮下来。螺带的高度通常取罐底至液面的高度。 螺带式搅拌器和螺杆式搅拌器的转速都较低 ，通常不超过50r/min，主要产生轴向流，用于 高粘度液体的搅拌。
如：恒温恒容不可逆反应
n=0
1 C A0 xA k
n=1

kC A0 (1 xA )
C A0 xA kC A0
2
C A0 xA

k (1 xA )
xA
xA
n=2

(1 xA ) 2

kC A0 (1 xA ) 2
二、多个串联连续操作釜式反应器 （N－CSTR）
为什么要采用N－CSTR代替1－CSTR？ 由于1－CSTR存在严重的返混，降低了反应 速率。 采用N－CSTR，可以使物料浓度呈阶梯状下 降，降低逆向混合的程度，有效提高反应速率；
同时还可以在各釜内控制不同的反应温度 和物料浓度以及不同的搅拌和加料情况，以适应 工艺上的不同要求。 串联釜数一般不大于4。
1.夹套式 夹套是套在反应器筒体外面能形成密封空间的容器， 既简单又方便。 当反应器的直径大或者加热蒸汽压力较高(>0.6MPa)时 ，夹套必须采取加强措施。分支撑短管加强的“蜂窝夹 套”，冲压式蜂窝夹套，角钢焊在釜的外壁上夹套。
2.蛇管式 当工艺需要的传热面积大，单靠夹套传热不能 满足要求时，或者是反应器内壁衬有橡胶、瓷砖等 非金属材料时，可采用蛇管、插入套管、插入D形 管等传热。
解析法 按不同的反应动力学方程式代入依次逐 釜进行计算，直至达到要求的转化率为止。
i
例题讲解。
V VRi
（二）图解法 原理：第i釜的反应物出口浓度CAi应同时满足物 料衡算式与动力学方程式，故两线交点的横坐 标即为CAi 步骤： -rA M
A1 A2 A3
O
cA3 cA2
cA1
2.导流筒 目的是控制流 型（加强轴向流） 及提高混合效果。 不同型式的搅拌器 的导流筒安置方位 不同。
二、釜式反应器的换热装置的设计与选择
(一)换热装置 换热装置是用来加热或冷却反应物料，使 之符合工艺要求的温度条件的设备。 其结构型式主要有夹套式、蛇管式、列管 式、外部循环式等，也可用直接火焰或电感加 热。
即：对同一简单反应，在相同操作条件下，为达到相 同转化率，要求反应器有效体积最小。
换句话说，若反应器体积相同，反应器所达 到的转化率更高。
(一)单个反应器
1.间歇操作釜式反应器和连续操作管式反应器的比较 仅从反应时间而言，在间歇操作釜式反应器和连续操 作管式反应器中进行时，所需反应时间是相同的。但由 于间歇操作需要辅助时间，需要的反应器体积比连续操 作管式反应器的体积要大。
cA0
任务3 釜式反应器配套设施的设计与选择
一、搅拌装置的设计与选择 (一)搅拌目的 使物料混和均匀，强化传热和传质。 包括：均相液体混合； 液-液分散； 气-液分散； 固-液分散； 结晶； 固体溶解； 强化传热等
(二)搅拌液体的流动特性
液体在设备范围内作循环流动的途径称作 液体的“流动模型”，简称“流型”。
2.低温冷源的选择 (1)冷却水 常温，出水温度不超过60℃。 (2)空气 常温，但给热系数小。 (3)低温冷却剂 ①冰水，只能0℃以上 ②盐水，最低可－55℃ ③有机载冷剂：乙二醇、丙二醇、甲醇、乙醇 水溶液等 ②③需用制冷机制冷。
任务4
连续操作管式反应器(PFR)的计算
工作任务 根据化工产品的生产条件和工艺要求进 行连续操作管式反应器的设计与计算。
2.连续操作釜式反应器和连续操作管式反应器比较
若干重要影响因素： （a）转化率：转化率越高，体积差别越大 （b）反应级数：级数越高，体积差别越大 （c）串联级数：级数越多，体积差别越小
(二)组合反应器的优化
1.nCSTR的优化
任务：不同大小的多只连续操作釜式反应器串 联操作时，若最终转化率已经给定，如何确定 其最优组合？
(2)高压汽水混合物
个别设备需高温加热时，较经济可 行。可用于温度为200-250℃的加热要 求。
(3)有机载热体 联苯与联苯醚的混合物以及以烷基萘 为主的石油馏分。 利用其常压沸点高、熔点低、热稳定 性好等特点可提供高温的热源。
优点：能在较低的压力下得到较高的 加热温度。
温度范围：能用于200～350℃的范围 。
(a)轴向流 (b)径向流(c)切线流
打漩现象
搅拌器两方面性能： 产生强大的液体循环流量； 产生强烈的剪切作用。 基本原则： 在消耗同等功率的条件下，低转速、大直径的叶 轮，可增大液体循环流量，同时减少液体受到的剪切作用 ，有利于宏观混合。 反之，高转速、小直径的叶轮，结果与此恰恰 相反。
(三)常用搅拌器的型式、结构和特点 化学工业中常用的搅拌装置是机械搅拌装置，包 括 搅拌器：包括旋转的轴和装在轴上的叶轮； 辅助部件和附件：包括密封装置、减速箱、搅拌电 机、支架、挡板和导流筒等。 搅拌器是实现搅拌操作的主要部件，其主要的组 成部分是叶轮，它随旋转轴运动将机械能施加给液体 ，并促使液体运动。
一般的低压饱和水蒸汽加热时最高只能 达到150-160℃，需要更高温度时则需考虑 高温热源的选择问题。 1.高温热源有以下几种 (1)压力高的饱和水蒸汽 压力可达一至数MPa，来源有高压蒸汽锅 炉、利用反应热的废热锅炉或热电站的蒸汽 透平。 缺点:需高压管道输送蒸汽，费用高，且 远距离输送时热损失大。